内容来源：https://news.mit.edu/2025/study-suggests-how-brain-with-sleep-learns-meaningful-maps-spaces-0110作者：David Orenstein | The Picower Institute for Learning and Memory 一句话摘要：弱空间细胞通过睡眠，将位置细胞所代表的各个位置缝合在一起，形成一张心理地图。在新城市度假的第一天，您的探索会让您接触到无数个独特的地方。虽然这些景点的记忆（例如安静小街上的美丽花园）感觉立即不可磨灭，但您可能需要几天时间才能对附近地区有足够的直觉来，以便引导新游客到访同一地点，然后也许到您发现的咖啡馆附近。麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家对小鼠进行的一项新研究为大脑如何形成整个空间的有凝聚力的认知图提供了新的证据，并强调了睡眠在这一过程中的至关重要性。几十年来，科学家们已经知道，大脑中海马体区域的神经元负责记忆特定位置。当动物身处神经元要记住的位置时，所谓的“位置细胞”就会可靠地激活。但比拥有特定空间的标记更有用的是拥有一个心理模型，了解它们在连续的整体地理中如何相互关联。尽管此类“认知地图”于 1948 年正式理论化，但神经科学家仍不确定大脑是如何构建它们的。 《细胞报告》 12 月版中的这项新研究发现，这种能力可能取决于细胞活动在几天内发生的微妙但有意义的变化，这些细胞只能微弱地适应各个位置，但会增加海马体编码的鲁棒性和精细度。整个空间。研究分析表明，随着睡眠的进行，这些“弱空间”细胞会越来越丰富海马体中的神经网络活动，将这些地方连接起来形成认知地图。“第一天，大脑并不能很好地代表空间，”主要作者、资深作者马修·威尔逊（Matthew Wilson）实验室的研究科学家、皮考尔研究所和麻省理工学院生物与大脑系的谢尔曼·费尔柴尔德教授郭伟说。和认知科学。 “神经元代表各个位置，但它们组合在一起并不能形成地图。但在第五天，他们形成了一张地图。如果你想要一张地图，你需要所有这些神经元在一个协调的整体中一起工作。”为了进行这项研究，Guo 和 Wilson 以及实验室伙伴 Jie“Jack”Zhang 和 Jonathan Newman，将小鼠引入不同形状的简单迷宫，并让它们每天自由探索约 30 分钟，持续几天。重要的是，小鼠并没有被引导通过提供任何奖励来学习任何特定的东西。他们只是闲逛。先前的研究表明，小鼠在几天后自然地从这种无奖励的经历中表现出对空间的“潜在学习”。为了了解潜在学习是如何发生的，Guo 和他的同事通过设计细胞在钙离子积聚使细胞电活动时闪烁，直观地监测了海马 CA1 区域的数百个神经元。他们不仅记录了小鼠主动探索时神经元的闪烁，还记录了它们睡觉时的神经元闪烁。威尔逊的实验室表明，动物在睡眠期间“重播”它们之前的旅程，本质上是通过梦到它们的经历来完善它们的记忆。对记录的分析表明，位置细胞的活动立即发展起来，并在几天的探索中保持强劲且没有变化。但仅此活动并不能解释潜在学习或认知图在几天内如何演变。因此，与许多其他研究中科学家只关注位置细胞的强烈而清晰的活动不同，郭将他的分析扩展到了空间调谐不那么强烈的细胞的更微妙和神秘的活动。使用一种名为“流形学习”的新兴技术，他能够辨别出许多“弱空间”细胞逐渐将其活动与网络中其他神经元之间的活动模式而不是位置相关联。郭的分析显示，当这种情况发生时，网络编码了迷宫的认知地图，该地图越来越类似于字面上的物理空间。
研究作者写道：“虽然弱空间细胞不会像强空间细胞那样对特定位置做出反应，但弱空间细胞会专门对‘心理位置’做出反应，即其他细胞的特定整体放电模式。” “如果一个弱空间细胞的心理场包含两个编码不同位置的强空间细胞子集，那么这个弱空间细胞可以充当这些位置之间的桥梁。”
换句话说，弱空间细胞的活动可能会将位置细胞所代表的各个位置缝合在一起，形成一张心理地图。威尔逊实验室和许多其他实验室的研究表明，记忆是通过睡眠和休息期间发生的神经活动（例如重放）来巩固、完善和处理的。因此，郭和威尔逊的团队试图测试睡眠对于弱空间细胞对认知图的潜在学习的贡献是否是必要的。为了做到这一点，他们让一些老鼠在同一天探索一个新迷宫两次，中间休息三个小时。有些老鼠被允许睡觉，但有些则不可以。那些睡觉的人的心理地图显示出显着的改善，但那些不被允许睡觉的人则没有表现出这样的改善。不仅地图的网络编码得到改善，而且对单个细胞调整的测量表明，睡眠帮助细胞更好地适应地点和网络活动模式，即所谓的“精神场所”或“领域”。 ”郭指出，小鼠几天内编码的“认知地图”并不是字面上的、精确的迷宫地图。相反，它们更像是示意图。它们的价值在于，它们为大脑提供了一种可以在精神上探索的拓扑结构，而无需在物理空间中。例如，一旦您形成了酒店周围街区的认知地图，您就可以计划第二天早上的游览（例如，您可以想象在西边几个街区处观察到的面包店抓起一个羊角面包，然后想象在一个面包店里吃它）你在河边公园里注意到的那些长凳）。事实上，威尔逊假设弱空间细胞的活动可能会覆盖显着的非空间信息，从而为地图带来额外的意义（即，面包店的概念不是空间的，即使它与特定位置紧密相关）。然而，该研究在迷宫内没有包含任何地标，也没有测试小鼠的任何特定行为。但既然研究已经确定弱空间细胞对绘图有有意义的贡献，威尔逊说未来的研究可以调查它们可能将哪些信息纳入动物对环境的感知中。我们似乎直觉地认为我们居住的空间不仅仅是一组离散的位置。作者总结道：“在这项研究中，我们专注于自然行为的动物，并证明在自由探索行为和随后的睡眠过程中，在没有强化的情况下，整体水平上仍然会发生重大的神经可塑性变化。” “这种形式的隐性和无监督学习构成了人类学习和智力的一个重要方面，值得进一步深入研究。”自由共同基金会、Picower 研究所和美国国立卫生研究院资助了这项研究。
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